А вот самое главное. Прежде во всей Вселенной представлялись законными лишь инерциальные системы отсчета — только в них, как считалось, безукоризненно выполняются законы механики. Общая теория относительности справедлива в любой, в том числе и падающей и подверженной какому угодно ускорению, системе отсчета.
Как это доказать?
Перечисленные достоинства громадны. Их, вообще говоря, вполне достаточно, чтобы признать эйнштейновскую теорию, согласиться, что она стоит гораздо ближе к реальной природе, чем классические взгляды на тяготение.
И все же для полной и безоговорочной ее победы нужен эксперимент. Нужно, чтобы падающие камни и планеты, летящие в космосе, сами заявили: мы следуем именно Эйнштейну, а не Ньютону.
Как добиться этакого признания? Какой выдумать опыт? Легко ли его поставить?
Очень и очень трудно это доказать. Очень и очень трудно придумать и поставить опыт. И вот почему.
В бесчисленном множестве земных и астрономических движений ньютоновская и эйнштейновская механики дают почти тождественные результаты. Все равно, по какой из них составлять «небесное расписание» планет, лун, звезд, — та и другая предрекают светилам практически одни и те же пути. Сразу же после создания своей теории Эйнштейн утвердил это в специальном исследовании — показал, что ньютоновский способ расчета в первом приближении дает результаты, точные и с эйнштейновской точки зрения. Так что знаменитый закон всемирного тяготения остался на вооружении ученых. Да иначе и быть не могло — иначе не было бы знаменательных триумфов ньютоновской небесной механики.
Как же так? Ньютон, с его соблазнительно «очевидным» (а в действительности фиктивным) абсолютным пространством, со столь же инстинктивно-желанным, но невозможным математическим звездным временем, с его изумительно простым законом всемирного тяготения, описывающим взаимное влияние тяжелых масс (несуществующих, по Эйнштейну), ошибся-таки ничтожно мало. Из физических фикций он ухитрился воздвигнуть почти безукоризненно правильную систему вычислений! Почему?
Тут особенно ясно, что традиционные понятия и модели старой механики вовсе не бессмысленны. Они лишь ограничены. Таким образом, теория Эйнштейна отнюдь не отменила почтенную, заслуженную классику, а, по существу, обобщила ее.
Расхождения же между Ньютоном и Эйнштейном начинаются лишь тогда, когда отсчеты измеряемых движений пойдут на совершенно ничтожные доли секунд и сантиметров, или если вступят в игру невообразимо гигантские массы, или если различия накопятся на протяжении столетий и сотен миллионов километров.
Исходя из этого и должны строиться опыты, планироваться наблюдения, призванные испытать эйнштейновскую теорию.
Изгиб света
Первый опыт — волнующий, связанный с экзотическими путешествиями, насыщенный драматическим ожиданием — был выполнен в 1919 году под руководством английского астронома Артура Эддингтона. Опыт до того небывалый в истории науки — оптико-механико-астрономический.
Замысел принадлежал Эйнштейну: предлагалось измерить, на сколько отклонится луч света, проходящий в непосредственной близости от Солнца.
К этой мысли великий физик пришел через собственную ошибку. Сначала Эйнштейн сделал вывод, что и по его теории и по Ньютону луч света будет смещаться к Солнцу одинаково. Значит, проверять тут нечего, зацепиться не за что. Однако позднее более внимательный разбор задачи выявил тонкость, которая прежде ускользнула. Оказалось, что возле поверхности Солнца мир должен быть немножко «круче», кривизна его — чуть больше, чем требуется для согласия с ньютоновской физикой. Другими словами, поле тяготения в непосредственной близости Солнца, по Эйнштейну, больше, чем следует из старой небесной механики.
Поэтому камень, признающий эйнштейновскую физику, у поверхности Солнца должен падать с большим ускорением, чем камень-ньютонианец. Или пуля, пролетающая близко от Солнца, должна, по Эйнштейну, быстрее отклониться к центру светила, чем по Ньютону. Вот и подсказка экспериментатору: заберитесь на Солнце и измерьте ускорение свободного падения камня или отклонение пули.
На Солнце не заберешься. Нужен обходной маневр. Нужно поставить эксперимент с Солнцем, не дотрагиваясь до Солнца, находясь от него в полутора сотнях миллионов километров.
Такой эксперимент и был исполнен. Самый крупный по пространственному охвату физический опыт из всех, когда-либо ставившихся человеком. В этом отношении он поныне остается рекордным.
Вместо камней или пуль были использованы световые лучи, идущие к Земле от далеких звезд мимо Солнца. Ведь лучи тоже имеют массу (ибо они имеют энергию) и поэтому притягиваются Солнцем (по Ньютону) или движутся по инерции вдоль геодезических линий, согнутых массой Солнца (по Эйнштейну). Колоссальная скорость, с какой мчится свет, ведет к тому, что отклонение лучей возле Солнца очень мало. Однако оно может быть заранее вычислено — как в теории Ньютона, так и в теории Эйнштейна. И затем измерено. И сопоставлено с обоими теоретическими предсказаниями.
Основное препятствие для наблюдения ближайших к солнечному диску звезд — ослепительное сияние светила. Избавиться от него можно, лишь загородив Солнце какой-либо заслонкой. Лучше всего Луной.
Таскать по небу Солнце и Луну не понадобилось — они сами встали на необходимые места. Очень просто: 25 мая 1919 года состоялось солнечное затмение, полная фаза которого прошла через Южную Америку и Африку.
И вот в Бразилию и на западное африканское побережье приехали две организованные Эддингтоном экспедиции. Во время затмения сфотографировали Солнце вместе с небесными окрестностями, усыпанными звездным узором. Его создали концы согнутых звездных лучей. Потом дождались, когда Солнце ушло из этого участка неба, и снова сделали фотоснимки — вышли изображения звезд, созданные прямыми, недеформированными лучами. Во втором снимке звезды стояли тесно, в первом казались отодвинувшимися от Солнца, которое пожаловало в их компанию. Это значило: действительно, лучи пригнулись к светилу. Но на сколько, каков угол отклонения? Сравнение снимков позволило вычислить этот угол. Исследование было сделано неторопливо, с должной тщательностью.
Ожидали эйнштейновского отклонения — на 1,75 угловой секунды. Вдвое меньшее отклонение отвергло бы идеи Эйнштейна и подтвердило теорию тяготения Ньютона. А если бы отклонение вышло вдвое большим?
— Тогда, — шутил один из участников экспедиции, — Эддингтон сошел бы с ума.
Эддингтон остался в здравом рассудке. Судя по фотоснимкам, звезды сместились на 1,67 угловой секунды — очень близко к предсказанию общей теории относительности.
В описанном уникальном астрофизическом эксперименте луч света недвусмысленно заявил физикам: — Я подчиняюсь Эйнштейну, а не Ньютону.
Это было триумфом новой физики. По всему миру прокатилась волна восторга ученых. И не только ученых. Торжество теоретического предсказания всколыхнуло широкие массы рядовых любителей науки. Тогда- то к сорокалетнему Эйнштейну и пришла шумная слава, не утихшая до конца его жизни.
Меркурий танцует вальс
У Ньютона был дальний взгляд, обзор природы с птичьего полета.
Эйнштейн вооружил физику умением исследовать небесные движения вблизи, в тонких подробностях, которые не могли попасть в поле зрения ньютоновской теории. Так случилось с отклонением света вблизи Солнца. Так вышло и с обращением вокруг Солнца самой близкой планеты — Меркурия.
По Ньютону, орбита Меркурия — эллипс. В небесной механике его досконально рассчитали, на столетия вперед и назад составили «расписание» прибытия планеты в различные его места. Через каждый меркурианский год Меркурий обязан возвращаться в точку, пройденную по эллипсу год тому назад.
И вот многолетние астрономические наблюдения опровергли это теоретическое расписание. На деле оно не исполнилось. Через год Меркурий не возвращался на старое место, а оказывался лишь рядом с ним. Разобравшись, астрономы поняли, что эллипс меркурианской орбиты сам движется — очень медленно обращается вокруг Солнца. Строго говоря, Меркурий описывает не эллипс. Его путь похож на контур цветка ромашки, на своеобразную розетку.
